способ получения сцинтилляционного монокристалла вольфрамата свинца
Классы МПК: | C30B29/32 титанаты; германаты; молибдаты; вольфраматы C30B15/04 с добавлением легирующего материала, например для n-р переходов |
Автор(ы): | Анненков А.Н., Коржик М.В., Костылев В.Л., Лигун В.Д. |
Патентообладатель(и): | Анненков Александр Николаевич, Коржик Михаил Васильевич, Костылев Вадим Леонидович, Лигун Владимир Дмитриевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-01-22 публикация патента:
27.06.1999 |
Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца (далее PWO), и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения. Согласно предлагаемому способу монокристалл PWO получают методом Чохральского на затравку, ориентированную под углом до 10o к кристаллографической оси "а" кристалла в условиях подавления окисления кристаллообразующих ионов и расстехиометризации расплава и легирования примесями окислов металлов лантана, итрия и ниобия в количестве 0,001-0,1 вес.%. Техническим результатом данного изобретения является создание способа получения сцинтилляционного монокристалла вольфрамата свинца, обладающего высокими потребительскими свойствами: улучшенной радиационной стойкостью, повышенной оптической однородностью, увеличенным световым выходом сцинтилляций и улучшенной механической прочностью. 3 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Способ получения монокристалла вольфрамата свинца (PWO) по методу Чохральского вытягиванием из расплава на ориентированную затравку из платиновых или иридиевых тиглей, при котором в исходную шихту входит окись вольфрама WO3, а процесс выращивания монокристалла производят при 1110 - 1150oС, при скорости вытягивания затравки из расплава 1,0 - 12,0 мм/ч, со скоростью вращения затравки 5 - 50 об/мин и со скоростью охлаждения монокристалла после окончания процесса выращивания не более 150oС/ч, отличающийся тем, что в исходную шихту вводят окись-закись свинца Pb3O4 (сурик) в молярном соотношении с упомянутым окислом вольфрама WO3 0,351 - 0,317 и примеси окислов металлов лантана La, иттрия Y и ниобия Nb в количестве, чтобы в готовом кристалле суммарное содержание упомянутых металлов составило 0,001 - 0,1 вес.%, выращивание производят в газовой среде, состоящей из инертных газов или азота с содержанием кислорода 1 х 10-3 - 1 об.%, а затравку ориентируют под углом не более 10o к кристаллографической оси "а".Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца, и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения. Способом вытягивания из расплава по методу Чохральского получают монокристаллы различных типов, например ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) [1] , двойного вольфрамата натрия - висмута NaBi(WO4)2 [2], вольфрамата свинца PbWO4 (PWO) [3] и других, применяемых в качестве сцинтилляционных элементов в детекторах ионизирующих излучений. Сцинтилляционный монокристалл вольфрамата свинца имеет существенные преимущества перед другими известными сцинтилляционными монокристаллами [4, 5], применяющимися в экспериментальной физике высоких энергий, что позволяет успешно использовать его в экспериментах по физике элементарных частиц, проводящихся на современных ускорителях, при высоких дозовых нагрузках в трактах регистрации, обеспечивающих высокое разрешение по времени (порядка 130 пс). Известен способ получения монокристалла вольфрамата свинца PWO по методу Чохральского вытягиванием из расплава на ориентированную вдоль направления, имеющего отклонение 19o от кристаллографической оси "z" затравку из платиновых или иридиевых тиглей в воздушной среде, при котором в исходную шихту входят окись вольфрама WO3 и окись свинца PbO в стехиометрическом отношении [3], принятый за прототип. В результате получают монокристаллы диаметром до 32 мм и длиной до 220 мм. Полученный таким способом монокристалл PWO имеет высокую плотность (8,28 г/см3), большой эффективный атомный номер (Z=72), малую радиационную длину (X0 = 0,9 см) и высокую скорость высвечивания (от единиц до десятков нс), что позволяет использовать его в сцинтилляционных детекторах для регистрации частиц высоких энергий. Однако, полученный таким способом сцинтилляционный монокристалл обладает существенными недостатками: низкой радиационной стойкостью к ионизирующим излучениям, высокой оптической неоднородностью, низким выходом света сцинтилляций и высокой хрупкостью. Так, при длине монокристалла 200 мм снижение оптического пропускания при дозах гамма-облучения свыше 1 кГр превышает 30%, что вызывает снижение световыхода до 50%. Такой кристалл при длине 200 мм при комнатной температуре характеризуется световыходом от 4 до 6 фотоэлектрон/МэВ и малопригоден для детектирования гамма-квантов с энергиями менее 1 ГэВ, что определяется незначительным выходом света сцинтилляций вследствие существенного собственного поглощения в спектральном диапазоне сцинтилляций, связанного с большой оптической неоднородностью кристалла. Высокая хрупкость такого кристалла приводит к большим потерям вследствие механических повреждений. Техническая задача, которую решает данное изобретение, заключается в создании способа получения сцинтилляционного монокристалла вольфрамата свинца, обладающего высокими потребительскими свойствами, путем изменения технологии выращивания посредством изменения химического состава исходной шихты и физико-химических условий выращивания. Предлагаемый способ получения сцинтилляционного монокристалла вольфрамата свинца обеспечивает существенное повышение стойкости кристалла к ионизирующим излучениям, снижение оптической неоднородности и значительное повышение световыхода сцинтилляций, а также повышение прочности к механическим воздействиям и снижение потерь монокристаллов при выращивании и последующей механической обработке. Для достижения указанных технических результатов используют предлагаемый способ получения монокристалла вольфрамата свинца по методу Чохральского вытягиванием из расплава на ориентированную затравку из платиновых или иридиевых тиглей, при котором в исходную шихту входит окись вольфрама WO3, а процесс выращивания монокристалла производят при температуре от 1110 до 1150oC при скорости вытягивания затравки из расплава от 1,0 до 12,0 мм/час со скоростью вращения затравки от 5 до 50 об/мин и со скоростью охлаждения кристалла после окончания процесса выращивания не более 150oC/час, отличающийся тем, что в исходную шихту вводят окись-закись свинца Pb3O4 (сурик) в молярном соотношении с упомянутым окислом вольфрама WO3 от 0,351 до 0,317 и примеси окислов металлов: лантана La, иттрия Y и ниобия Nb в количестве, чтобы в готовом кристалле суммарное содержание упомянутых металлов составило от 0,001 до 0,1 вес.%, выращивание производят в газовой среде, состоящей из инертных газов или азота с содержанием кислорода в пределах от 1






1. Способ получения кристаллов ортогерманата висмута. А.С. SU 1745779 A1. 2. Сцинтилляционный материал. Патент Российской Федерации. RU 2059026 C1. 3. P.Lecoq, I.Dafinei, E.Auffray et al., NIM A365 (1995) 291. 4. V.G. Baryshevsky, M.V. Korzhik, V.I. Moroz et al. Single crystals of tungsten compounds as promising materials for the total absorption detectors of the e.m. calorimeters. Nucl. Instr. and Meth. Vol. A322 (1992) 231. 5. R.Novotny, W.Doring, K.Mengel, V.Metag, Response function of PbWO4 - Detectors to Electrons and Photons between 50 and 855 MeV Energy. In Proc. SCINT"97 September 22-25, 1997, Shanghai, China. P.21. 6. A.N. Annenkov, A.A. Fedorov, Ph. Galez et al. Phys.Stat.Sol. (a) 156 (1996) 493.
Класс C30B29/32 титанаты; германаты; молибдаты; вольфраматы
Класс C30B15/04 с добавлением легирующего материала, например для n-р переходов